线虫神经活动的微流控芯片研究

论文摘要

秀丽隐杆线虫是一种经典的研究发育生物学、遗传学和基因组学的重要模式动物。由于它仅由302个神经元分工操纵着基本的行为,使其迅速成为理想的用于研究行为与神经活动之间联系的动物模型。但由于它个体很小(体长1毫米),且活体的线虫时刻不停的摆动,科学家们难于用常规的宏观方法将其固定于显微镜视场内进行解剖学分析、微手术操作、神经元荧光成像以及给予微环境局部刺激等研究。传统的方法通常使用粘合剂将线虫粘在琼脂糖平板上,或用麻醉药物麻醉使它保持不动,或使用微吸管吸住头或尾固定住部分的身体等。但是这些方法都存在着耗时、通量低、有损有毒的缺点。如何快速、高通量、无损无毒地固定活体线虫,以进行高分辨率的体内神经元成像研究是一个迫待需要解决的问题。微流控芯片的出现为固定活体线虫提供了良好的契机。芯片通道与线虫尺寸的完美匹配以及材料的无毒性、透明、易加工等优势使得它迅速成为线虫研究方法领域中一个快速发展的方向。经过近几年科学家们不断的尝试,双层膜阀和负压侧吸相结合的方法能够很好的固定线虫的身体用于飞秒激光烧蚀和双光子成像研究。但由于这种方法的种种限制,使它仅适用于全身的固定而无法暴露出局部比如头部。而局部的刺激对于研究线虫在应答外围环境变化时单独的某个神经元的特异性反应十分重要,很大程度上排除了神经网络中其它神经元的干扰因素,使生物问题的分析变得简单。也有研究者尝试使用低矮的锥形通道来匹配线虫锥形的头部形状和尺寸,通过挤压头部使神经元保持在成像焦平面上,但也同时引入了卸载困难,通量低的问题。本文采用一种新型的PDMS梳状微气动阀,通过可控的气动方式使膜向下弯曲或恢复,高通量的固定下层通道中流过的线虫。具有五个固定点的梳妆阀比传统的块阀捕获成功率更高、固定效果更好,更重要的是它允许头部感受器末端暴露于阀外,配合各种用于局部药物活体刺激观察实验。另外,由于它可以直接匹配下层方形直通道使用,可广泛的应用于各种高通量的基于活体线虫固定前提的实验,诸如高通量荧光株系筛选、药物或突变体筛选、神经烧蚀、微注射等。在固定效果方面,通过与胶水固定法比较,本方法能够长期使神经元处于稳定不动的状态,达到与胶水一致的固定效果；并且经过芯片内长时间的固定后仍能保持良好的活性,身体摆动频率、繁殖产卵数目、生命周期等生命体征与未经过芯片固定的线虫保持良好的一致性。说明PDMS梳状微气动阀是一种高效、无损、稳定的新型固定方法。在稳定固定的基础上,我们搭建了自动进样平台,为进一步的成像实验大大地提高了效率。为研究线虫在液态药物环境下的神经元应答,我们利用双相或多相层流的方式输出切换快速灵敏的药液刺激,改变已固定线虫的头部周围微环境,记录线虫ASH神经元在不同药物、浓度、时长以及单药重复刺激和多路药物切换刺激等情况下的不同反应,并通过野生型与突变型线虫株系的神经元钙信号差异直观而快速的体现突变体的功能缺失。该芯片可广泛应用于高通量突变体筛选或药物筛选、神经网络与不同行为模式之间的联系等方面。为研究线虫在气态药物环境下的神经元应答,我们利用层流的方式输出灵敏的气味刺激,改变已固定线虫的头部微环境,首先记录到线虫URX/BAG神经元在不同浓度氧气水平的反应,其后观察到ASH神经元在低浓度气态辛醇刺激时的应答。该方法首次实现了气体精确局部刺激线虫,为简化和更准确研究气体感受神经网络提供了新思路。同时,我们也建立了简单的行为芯片模型来研究线虫对气味、光、电、温度的趋向性以及对机械刺激的反应,从行为水平理解线虫神经网络的各种功能,为后续研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 微流控芯片概述
• 1.2 秀丽隐杆线虫概述
• 1.3 基于微流控芯片的线虫研究概述
• 1.4 固定线虫方法
• 1.5 刺激输出方式
• 1.6 活体线虫神经元荧光成像技术
• 1.7 本文研究内容
• 2 微流控芯片固定线虫方法探索和系统搭建
• 2.1 线虫的培养
• 2.2 芯片的制作
• 2.3 微流控技术固定线虫方法探索和优化
• 2.4 固定效果对比和评价
• 2.5 高通量系统的搭建
• 2.6 本章小结
• 3 微流控芯片活体线虫神经元应答水溶性药物成像研究
• 3.1 引言
• 3.2 系统搭建和实验方法
• 3.3 野生型ASH神经元应答单个药物单次刺激荧光成像
• 3.4 野生型ASH神经元应答多个药物荧光成像
• 3.5 突变体ASH神经元应答多个药物荧光成像
• 3.6 野生型ASH神经元应答药物重复性刺激荧光成像
• 3.7 中间神经元AIB应答多个药物荧光成像
• 3.8 飞秒激光烧蚀被固定线虫的神经元与树突实验条件摸索
• 3.9 本章小结
• 4 微流控芯片活体线虫神经元应答挥发性药物成像研究
• 4.1 引言
• 4.2 系统搭建及评价
• 4.3 野生型URX/BAG神经元应答不同浓度氧气的荧光成像
• 4.4 野生型ASH神经元应答低浓度气态辛醇的荧光成像
• 4.5 突变体ASH神经元应答低浓度气态辛醇的荧光成像
• 4.6 本章小结
• 5 基于微流控芯片的线虫行为学研究
• 5.1 引言
• 5.2 趋化性（chemotaxis）
• 5.3 趋温性（thermotaxis）
• 5.4 机械感受（mechanosensation）
• 5.5 空间探索能力（exploration）
• 5.6 联合型学习记忆（associative learning-memory）
• 5.7 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文研究内容与结论
• 6.2 本文主要创新点与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录